CN103959651B - 以具有用于驱动防护环的数字输出的微控制器来测量电容性传感器的电容 - Google Patents

以具有用于驱动防护环的数字输出的微控制器来测量电容性传感器的电容 Download PDF

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Abstract

围绕每一电容性传感器板提供防护环(320)且将所述防护环充电到实质上与所述电容性传感器板上的电压相同的电压。所述防护环减小由所述电容性传感器板与邻近电路导体、接地平面及电源平面之间的电压电位差引起的所述电容性传感器板的寄生电容。使用两个数字输出(724，728)及相关联的分压器电阻器(708，710)将防护环电压驱动到实质上与所述电容性传感器板上的所述电压相同的电压。

Description

以具有用于驱动防护环的数字输出的微控制器来测量电容性 传感器的电容
相关专利申请案
本申请案主张由Zeke Lundstrum、Keith Curtis、Burke Davison、Sean Steedman及Yann LeFaou于2011年10月6日申请的标题为“具有防护环驱动输出的微控制器ADC(Microcontroller ADC with Guard Ring Drive Outputs)”的共同拥有的第61/544,150号美国临时专利申请案的优先权；所述案在此为了所有目的以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及尤其用于微控制器中的模/数转换器，且更特定来说，涉及用于由具有电容性触摸检测能力的微控制器使用的模/数转换器。
背景技术
对象(例如，一片金属、手指、手、脚、腿等)触摸电容性传感器或靠近电容性近接传感器会改变其某些参数，尤其是建置于用于(例如)人机接口装置(例如，小键盘或键盘)中的触摸传感器中的电容器的电容值。微控制器现包含增强对此些电容性传感器的检测及评估的周边装置。一个此应用利用电容分压(CVD)来评估是否已触摸电容性触摸元件。然而，当此些传感器在高噪声环境中操作时，常规系统中的分辨率或检测可能不足够。
特定来说，寄生电容可在许多电容性传感器应用中造成问题。无论何时邻近于传感器(或其到微控制器的连接)的导体处在不同于传感器的电压电位处，皆会产生寄生电容。因此，假定寄生电容可降低电容性传感器的敏感性且借此降低所得电容转换过程(例如，CVD(电容性分压))的分辨率，优选地减小与电容性传感器相关联的寄生电容。
发明内容
因此，需要一种用以减小与电容性传感器相关联的寄生电容，借此在所述电容性传感器的操作期间增加所述电容性传感器的电容测量改变敏感性的有效方式。
根据一实施例，微控制器可包括：数字处理器，其具有存储器；多个外部输入/输出节点，其可经编程以充当模拟节点；多路复用器，其由所述数字处理器控制以用于选择所述模拟节点中的一者且将所述模拟节点耦合到模拟总线；模/数转换器(ADC)，其与所述模拟总线耦合以用于将所述模拟总线上的模拟电压转换成其数字表示，且具有耦合到所述数字处理器的数字输出以用于传递所述数字表示；及外部节点，其耦合到所述模拟总线。
根据另一实施例，开关可耦合于所述外部节点与所述模拟总线之间，其中所述开关可由所述数字处理器可编程地控制。根据另一实施例，所述微控制器的至少两个数字输出节点可耦合到多个数字输出驱动器中的相应者。
根据另一实施例，微控制器可包括：数字处理器，其具有存储器；多个数字输出驱动器，其由所述数字处理器控制；取样与保持电容器；模/数转换器(ADC)，其具有耦合到所述数字处理器的数字输出；所述微控制器的至少两个数字输出节点，所述至少两个数字输出节点耦合到所述多个数字输出驱动器中的相应者；第一模拟节点，其耦合到所述微控制器中的第一模拟总线；所述第一模拟总线可切换地耦合到电力供应共同电位、电力供应电压、所述取样与保持电容器或第二模拟总线；所述第二模拟总线可切换地耦合到所述电力供应共同电位、所述电力供应电压、所述取样与保持电容器或所述第一模拟总线；及所述取样与保持电容器可切换地耦合到所述第一模拟总线抑或所述ADC的输入。根据另一实施例，所述第一模拟节点可耦合到所述第二模拟总线且可适宜耦合到电容性传感器。根据另一实施例，所述至少两个数字输出节点可适宜耦合到电阻器分压器网络，所述电阻器分压器网络将电压驱动到与所述电容性传感器相关联的防护环上。根据另一实施例，第二模拟节点可耦合到所述第二模拟总线且适宜耦合到外部电容器。根据另一实施例，至少一内部电容器可切换地耦合到所述第二模拟总线。
根据另一实施例，所述微控制器可包括多个开关，其中：所述多个开关中的第一者在闭合时将所述第一模拟总线及所述第二模拟总线耦合在一起，所述多个开关中的第二者在闭合时将所述第一模拟总线耦合到电力供应共同电位，所述多个开关中的第三者在闭合时将所述第二模拟总线耦合到电力供应电压，所述多个开关中的第四者在闭合时将所述第一模拟总线耦合到所述电力供应电压，及所述多个开关中的第五者在闭合时将所述第二模拟总线耦合到所述电力供应共同电位。
根据另一实施例，所述数字处理器控制所述多个开关。根据另一实施例，所述多个开关可为多个场效晶体管(FET)开关。根据另一实施例，所述多个数字输出驱动器可具有在实质上所述电力供应电压处的逻辑高输出，及在实质上所述电力供应共同电位处的逻辑低输出。
根据另一实施例，电容性传感器系统可包括：电容性传感器；防护环，其与所述电容性传感器相关联；第一电阻器，其耦合到所述防护环；第二电阻器，其耦合到所述防护环；及微控制器，其可包括：数字处理器，其具有存储器；多个数字输出驱动器，其由所述数字处理器控制；取样与保持电容器；模/数转换器(ADC)，其具有耦合到所述数字处理器的数字输出；所述微控制器的至少两个数字输出节点，所述至少两个数字输出节点耦合到所述多个数字输出驱动器中的相应者，其中所述至少两个数字输出节点中的一者可耦合到所述第一电阻器且所述至少两个数字输出节点中的另一者可耦合到所述第二电阻器；第一模拟节点，其可耦合到所述微控制器中的第一模拟总线及所述电容性传感器；所述第一模拟总线可切换地耦合到电力供应共同电位、电力供应电压、所述取样与保持电容器或第二模拟总线；所述第二模拟总线可切换地耦合到所述电力供应共同电位、所述电力供应电压、所述取样与保持电容器或所述第一模拟总线；及所述取样与保持电容器可切换地耦合到所述第一模拟总线抑或所述ADC的输入。
根据另一实施例，第二模拟节点可耦合到所述第二模拟总线且适宜耦合到外部电容器。根据另一实施例，至少一内部电容器可切换地耦合到所述第二模拟总线。
根据另一实施例，所述电容性传感器系统可包括多个开关，其中：所述多个开关中的第一者在闭合时将所述第一模拟总线及所述第二模拟总线耦合在一起，所述多个开关中的第二者在闭合时将所述第一模拟总线耦合到电力供应共同电位，所述多个开关中的第三者在闭合时将所述第二模拟总线耦合到电力供应电压，所述多个开关中的第四者在闭合时将所述第一模拟总线耦合到所述电力供应电压，及所述多个开关中的第五者在闭合时将所述第二模拟总线耦合到所述电力供应共同电位。根据另一实施例，所述第一电阻器的电阻可两倍于所述第二电阻器。根据另一实施例，所述外部电容器及所述取样与保持电容器的组合电容值可为所述电容性传感器的电容值的大约一半。根据另一实施例，所述防护环上的电压可实质上与所述电容性传感器上的电压相同。根据另一实施例，所述数字处理器可控制所述多个开关。
根据另一实施例，一种用于测量电容性传感器的电容且控制与所述电容性传感器相关联的防护环上的电压的方法可包括以下步骤：提供电容性传感器；提供防护环，其与所述电容性传感器相关联；提供第一电阻器，其耦合到所述防护环；提供第二电阻器，其耦合到所述防护环；及提供微控制器，其包括：数字处理器，其具有存储器；多个数字输出驱动器，其由所述数字处理器控制；取样与保持电容器；模/数转换器(ADC)，其具有耦合到所述数字处理器的数字输出；所述微控制器的至少两个数字输出节点，所述至少两个数字输出节点耦合到所述多个数字输出驱动器中的相应者，其中所述至少两个数字输出节点中的一者可耦合到所述第一电阻器且所述至少两个数字输出节点中的另一者可耦合到所述第二电阻器；第一模拟节点，其可耦合到所述微控制器中的第一模拟总线及所述电容性传感器；所述第一模拟总线可切换地耦合到电力供应共同电位、电力供应电压、所述取样与保持电容器或第二模拟总线；所述第二模拟总线可切换地耦合到所述电力供应共同电位、所述电力供应电压、所述取样与保持电容器或所述第一模拟总线；及所述取样与保持电容器可切换地耦合到所述第一模拟总线抑或所述ADC的输入；及执行以下步骤：将所述取样与保持电容器耦合到所述第一模拟总线；将所述第一模拟总线耦合到电力供应电压；将所述第二模拟总线耦合到电力供应共同电位；通过来自所述第一输出驱动器及所述第二输出驱动器的输出将所述至少两个数字输出节点中的相应者驱动到实质上所述电力供应共同电位；将所述至少两个数字输出节点中的一者驱动到实质上所述电力供应电压；将所述至少两个数字输出节点中的另一者驱动到实质上所述电力供应共同电位；将所述第一模拟总线与所述第二模拟总线耦合在一起的时间足够长以用于使第一电荷在所述第一模拟总线与所述第二模拟总线之间安定；将所述取样与保持电容器与所述第一模拟总线解耦；将所述第二模拟总线耦合到所述电力供应共同电位；将所述第二模拟总线耦合到所述电力供应电压；将所述第三模拟总线及所述第四模拟总线驱动到实质上所述电力供应电压；通过所述ADC将所述取样与保持电容器上的所述所安定的第一电荷转换成其第一数字表示；通过所述数字处理器从所述ADC读取所述第一数字表示；将所述第一模拟总线耦合到所述电力供应共同电位；将所述至少两个数字输出节点中的所述一者驱动到实质上所述电力供应共同电位；将所述至少两个数字输出节点中的所述另一者驱动到实质上所述电力供应电压；将所述第一模拟总线与所述第二模拟总线耦合在一起的时间足够长以用于使第二电荷在所述第一模拟总线与所述第二模拟总线之间安定；将所述取样与保持电容器与所述第一模拟总线解耦；将所述第二模拟总线耦合到所述电力供应电压；将所述第二模拟总线耦合到所述电力供应共同电位；将所述第三模拟总线及所述第四模拟总线驱动到实质上所述电力供应共同电位；通过所述ADC将所述取样与保持电容器上的所述所安定的第二电荷转换成其第二数字表示；及通过所述数字处理器从所述ADC读取所述第二数字表示。
根据本方法的另一实施例，通过所述数字处理器进行处理所述第一数字表示及所述第二数字表示的步骤以实质上减小共模噪声。根据本方法的另一实施例，所述方法可包括以下步骤：将所述第一数字表示及所述第二数字表示存储于与所述数字处理器相关联的存储器中；将所存储的所述第一数字表示及所述第二数字表示与随后的第一数字表示及第二数字表示相比较，其中如果所述所存储的第一数字表示及第二数字表示与所述随后的第一数字表示及第二数字表示实质上相同，那么可不致动所述电容性传感器，且如果所述所存储的第一数字表示及第二数字表示与所述随后的第一数字表示及第二数字表示实质上不相同，那么可致动所述电容性传感器。
根据另一实施例，一种用于测量电容性传感器的电容且控制与所述电容性传感器相关联的防护环上的电压的方法可包括以下步骤：a)将取样与保持电容器充电到第一电压；b)将电容性传感器充电到第二电压；c)将与所述电容性传感器相关联的防护环充电到所述第二电压；d)将所述防护环充电到第三电压；e)将所述取样与保持电容器及所述电容性传感器耦合在一起足够长时间以使第一电荷在所述取样与保持电容器与所述电容性传感器之间安定；f)将所述取样与保持电容器与所述电容性传感器解耦；g)通过模/数转换器(ADC)将所述取样与保持电容器上的所述所安定的第一电荷转换成其第一数字表示；h)将所述电容性传感器充电到所述第二电压；i)将所述电容性传感器充电到所述第一电压；j)将所述防护环充电到所述第一电压；k)通过数字处理器从所述ADC读取所述第一电荷的所述第一数字表示；l)将所述防护环充电到第四电压；m)将所述取样与保持电容器及所述电容性传感器耦合在一起足够长时间以使第二电荷在所述取样与保持电容器与所述电容性传感器之间安定；n)将所述取样与保持电容器与所述电容性传感器解耦；o)通过所述模/数转换器(ADC)将所述取样与保持电容器上的所述所安定的第二电荷转换成其第二数字表示；p)将所述电容性传感器充电到所述第一电压；q)将所述电容性传感器充电到所述第二电压；r)将所述防护环充电到所述第二电压；s)通过所述数字处理器从所述ADC读取所述第二电荷的所述第二数字表示；及t)返回到步骤d)。
根据本方法的另一实施例，所述第一电压可大约为电力供应电压且所述第二电压可大约为电力供应共同电位。根据本方法的另一实施例，所述第一电压可大约为电力供应共同电位且所述第二电压可大约为电力供应电压。根据本方法的另一实施例，所述防护环上的电压可实质上与所述电容性传感器上的电压相同。
附图说明
可通过参考结合随附图式进行的以下描述来获得对本发明的更全面理解。
图1说明根据本发明的教示的电子系统的示意性框图，所述电子系统具有电容性触摸小键盘、电容性触摸模拟前端及数字处理器；
图2说明图1中所展示的电容性传感器按键的示意性立面图；
图3说明根据本发明的特定实例实施例的图1中所展示且具有围绕电容性传感器中的每一者的电容性防护环的电容性传感器按键的示意性立面图；
图4说明根据本发明的另一特定实例实施例的图1中所展示且具有围绕电容性传感器中的每一者的防护环的电容性传感器按键的示意性平面图；
图5说明环绕电容性传感器及接地屏蔽的静电场线的示意性立面图；
图6说明根据本发明的教示的环绕电容性传感器、防护环及接地屏蔽的静电场线的示意性立面图；
图7说明根据本发明的特定实例实施例的具有用于电容性传感器及相关联的防护环的CVD处理能力的混合信号集成电路装置的示意图；
图7A说明根据本发明的另一特定实例实施例的具有用于多个电容性传感器及防护环的CVD处理能力的混合信号集成电路装置的示意图；
图8说明根据本发明的教示的电容转换的示意性电压-时间图；
图9说明根据本发明的特定实例实施例的电容转换及在此些转换期间的防护环电压控制的示意性电压-时间图；
图10说明图7中所展示的电容转换系统的示意性时序图；且
图11及12展示根据本发明的特定实例实施例的电容转换的示意性过程流程图。
图13说明根据本发明的教示的经由模拟通过门开关支持数字I/O及模拟功能的多功能端口逻辑的示意性框图；
图14说明根据本发明的教示的多功能端口逻辑的示意性框图，所述多功能端口逻辑经由模拟通过门开关支持数字I/O及模拟功能，其中可通过ADC控制器逻辑越权模拟功能以对连接到端口的电容性触摸传感器预充电及放电；且
图15说明根据本发明的特定实例实施例的模拟及数字连接配置的示意性框图。
虽然本发明易具有各种修改及替代形式，但其特定实例实施例已在图式中展示且在本文中详细描述。然而，应理解，本文中对特定实例实施例的描述不意欲将本发明限于本文中所揭示的特定形式，而是相反，本发明意欲涵盖由附加权利要求书所界定的所有修改及等效物。
具体实施方式
微控制器现包含增强对电容性传感器的检测及评估的周边装置。根据一实施例，电容性分压(CVD)可用以评估是否已触摸电容性触摸元件。然而，在与此相关联的此些传感器在高噪声环境中操作时，此电容测量系统中的分辨率或电容改变检测可能不足够。
特定来说，寄生电容可在许多电容性传感器应用中造成问题。无论何时邻近于传感器(或其到微控制器的连接)的导体处在不同于传感器的电压电位处，皆会产生寄生电容。因此，需要减小电容性传感器的寄生电容，以便增加所得CVD(电容性分压)转换过程的分辨率。根据本文中所揭示的各种实施例，可产生接近传感器电容且驱动置于传感器(及其连接)与极接近于所述传感器的其它导体及/或接地平面之间的导电迹线的电压。
现参看图式，其示意性地说明特定实例实施例的细节。图式中的相同元件将由相同数字表示，且类似元件将由具有不同小写字母字尾的相同数字表示。
参看图1，描绘根据本发明的教示的电子系统的示意性框图，所述电子系统具有电容性触摸小键盘、电容性触摸模拟前端及数字处理器。微控制器集成电路装置101可包括数字处理器106、存储器、输入输出(I/O)端口(节点)中的一者或一者以上、模/数转换器(ADC)、精确计时器、多功能输入及输出节点、充电时间测量单元(CTMU)、多路复用器、数字模拟转换器(DAC)或其组合。电容性触摸模拟前端(AFE)104可通过微控制器集成电路装置101的前述功能中的一些来实施。电容性触摸AFE 104可经由模拟多路复用器(未图示)耦合到电容性传感器按键102(例如，按钮、控制杆、拨动开关、目标、把手、旋钮等)的矩阵。
电容性触摸AFE 104通过单一低成本集成电路微控制器来促进在确定何时存在通过(例如，但不限于)按压且偏转目标按键(此改变相关联的电容性传感器的电容值)对电容性传感器的致动的过程中所使用的所有作用中功能。电容性触摸AFE 104测量电容性传感器按键102的矩阵的每一传感器的电容值，且将电容值转换成相应模拟直流(DC)电压，其由模/数转换器(ADC)(未图示)读取且转换成数字值并发送到数字处理器106。
数字处理器106将时钟及控制功能供应到电容性触摸AFE 104，读取电容性触摸AFE 104的模拟电压检测器输出，且选择电容性传感器按键102的矩阵的每一按键。在确定对电容性传感器按键102的矩阵中的按键的致动时，数字处理器106将采取适当动作。各种电容性触摸系统的更详细描述在Microchip Technology Incorporated的应用注解AN1298、AN1325及AN1334中更全面地揭示，所述应用注解可在www.microchip.com处获得且特此为了所有目的以引用的方式并入本文中。
参看图2，描绘图1中所展示的电容性传感器按键的示意性立面图。衬底204(例如，印刷电路板(PCB))可具有可用于电磁干扰(EMI)屏蔽的接地平面206(可选)。电容性传感器板208可转置于衬底204的面上且接近于接地平面206(可选)。其它电路导体210(例如，PCB迹线)还可极接近于电容性传感器板208。触摸目标212可位于电容性传感器板208中的相应者之上且可在触摸目标212与电容性传感器板208中的所述相应者之间具有气隙214。预期(且在本发明的范围内)如图2中所展示的触摸目标212可由改变电容性传感器板208的电容的任何对象(例如，一片金属、手指、手、脚、腿等)替代。覆盖层216可置于电容性传感器板208之上及/或为触摸目标212(可选)的部分，且可具有雕刻于其上的文数字信息。电容性触摸按键108中的每一者包括传感器板208及覆盖层216。电介质间隔物218位于电容性触摸按键108中的每一者之间。视情况地，触摸目标212可被添加于每一相应传感器板208之上。
接地平面206(可选)及/或电路导体210可在不同于电容性传感器板208的电压电位处。此情形在电容性传感器板208与极接近于电容性传感器板208的接地平面206(可选)及/或电路导体210的部分之间产生寄生电容。对于在电容性传感器板208与处在不同电压电位处的周围导体之间的静电场的示意性表示，参看图5。注意电容性传感器板208与周围导体之间的强静电场线。此寄生电容限制在对电容性传感器板208的触摸期间发生的电容性传感器板208的电容值的改变的检测分辨率。寄生电容类似地影响电容性传感器板208与电容性触摸AFE 104之间的连接。寄生电容还限制可在电容性触摸系统中使用的噪声屏蔽的量。
参看图3，描绘根据本发明的特定实例实施例的图1中所展示且具有围绕电容性传感器中的每一者的电容性防护环的电容性传感器按键的示意性立面图。将围绕电容性传感器板208中的每一者的防护环320添加到电容性传感器按键102a。除此之外，所有其它元件实质上与图2中所展示的电容性传感器按键102相同。通过在防护环320上维持实质上与相应电容性传感器板208上的电压相同的电压，显著地减小寄生电容。借此增加在对电容器传感器板208的触摸期间发生的电容器传感器板208的电容值的改变的检测分辨率。另外，提供增强的噪声屏蔽不会如在图2中所展示的配置的情况下那样影响检测分辨率。对于电容性传感器板208、防护环320、周围接地平面206(可选)与导体210(未图示)之间的静电场的示意性表示，参看图6，其中电容性传感器板208及防护环320是在实质上相同的电压电位处。注意电容性传感器板208与周围导体及接地平面206(可选)之间的弱得多的静电场线(较长的线)。在电容性传感器板208与防护环320之间实质上不存在寄生电容，这是因为两者皆在实质上相同的电压电位处。
参看图4，描绘根据本发明的另一特定实例实施例的图1中所展示且具有围绕电容性传感器中的每一者的防护环的电容性传感器按键的示意性平面图。触摸按键108的电容性传感器板208中的每一者由电耦合在一起且具有相同电压电位的防护环420环绕。在此配置下，一次仅确定一个电容性传感器板208的电容值，因此防护环420的整个矩阵采取电容值由电容性触摸AFE 104及数字处理器106确定(如下文中更全面地描述)的电容性传感器板208的电压电位。
图3中所展示的防护环320中的每一者可独立于彼此且具有不同电压，但将要求到数字处理器106的更多连接。因此除非需要同时确定一个以上电容性传感器板208的同时电容读数，否则单电压电位防护环420(图4)将为足够的且要求到数字处理器106的较少的电路连接。
参看图7，描绘根据本发明的特定实例实施例的具有用于电容性传感器及相关联的防护环的CVD处理能力的混合信号集成电路装置的示意图。图7中所展示的混合信号集成电路装置101a(例如，微控制器)可在使用确定电容性传感器板208的电容值的电容分压器(CVD)方法时适用。通过首先确定未经触摸电容性传感器板208的电容值且接着确定经触摸电容性传感器板208的随后的电容值，对彼电容性传感器板208的触摸可基于其电容的改变来确定。在CVD中，将两个电容器充电/放电到相反电压值。接着，将两个相反地充电的电容器耦合在一起且在连接的两个电容器上测量所得电压。CVD的更详细解释呈现于共同拥有的美国专利申请公开案第US 2010/0181180号中，所述案为了所有目的以引用的方式并入本文中。图7中所展示的开关可为(例如，但不限于)场效晶体管(FET)开关。节点728及730为分别耦合到相应内部单线(导体)模拟总线732及734的模拟节点。
电容性传感器板208的电容由可变电容器704(第一CVD电容器)表示，且第二CVD电容器可在此两个电容器具有相当接近的电容值(例如1:1到约3:1)的情况下为取样与保持电容器716。在CVD中此情形的原因在于来自一个电容器的电荷的部分被传送到不具有电荷或具有相反电荷的另一个电容器。举例来说，在两个CVD电容器的值相等时，一个电容器上的电荷的一半将被传送到另一个电容器。2对1的电容比将取决于最初对电容器中的哪一者充电而导致电荷的1/3被传送到较小(1/2C)的电容器或被从较小的电容器取走。在取样与保持电容器716实质上小于电容性传感器电容器704时，可从外部添加额外电容706a到节点728，及/或可独立于节点728地添加内部电容706b以使得电容器716、706a及/或706b的组合电容具有相对于电容性传感器电容704的电容值的足以满足以上准则的电容。此情形导致使用CVD确定电容值时的最佳分辨率。电容器716还为用以取样与保持在两个CVD电容器之间传送电荷之后所得的模拟电压的取样与保持电容器。一旦电荷传送完成，那么模/数转换器(ADC)718将所得充电电压转换成数字值，所述数字值由数字处理器106读取以用于进一步处理且确定触摸传感器电容器704的电容值。
在下文中呈现的实例中，可与取样与保持电容器716相组合地选择电容器704(第一CVD电容器)、电容器706a(外部连接的电容器)及/或电容器706b(内部连接的电容器)的电容值以产生分别取决于将第一CVD电容器704放电到Vss抑或充电到Vdd及将电容器706a及/或706b及电容器716的组合充电到Vdd抑或放电到Vss的为Vdd电压的1/3或2/3的组合充电电压。在此实例中，电容器704的电容约为电容器706a及/或706b及电容器716的并联组合的电容的两倍。在将两个相反极性充电的CVD电容器耦合在一起之后所得的静态电压将在最初将电容器704放电到Vss时约为1/3*Vdd，且在最初将电容器704充电到Vdd时约为2/3*Vdd。
已知并联的所有电容器的组合的预期静态电压允许产生环绕相应传感器板208(数字处理器106正评估其电容值)的防护环320或420的适当电压。当防护环320或420上需要Vdd时，来自数字驱动器712及714的输出皆在实质上Vdd(逻辑高)处。当防护环320或420上需要Vss时，来自数字驱动器712及714的输出皆在实质上Vss(逻辑低)处。当防护环320或420上需要1/3*Vdd时，来自数字驱动器714的输出是在Vss(逻辑低)处且来自数字驱动器712的输出是在实质上Vdd(逻辑高)处。当防护环320或420上需要2/3*Vdd时，来自数字驱动器714的输出是在Vdd(逻辑高)处且来自数字驱动器712的输出是在实质上Vss(逻辑低)处。
通过恰当地选择电容器706a及/或706b的电容值及电阻器708及710的电阻值，可容易地由数字处理器106仅使用节点724及726处的两个数字输出产生防护环电压。还可通过恰当地选择电容器706a及/或706b以及电阻器708及710的值来有效地使用其它电压比。举例来说，如果电容器706a及/或706b及电容器716的组合电容实质上等于电容器704的电容，那么随后的组合电压将为1/2*Vdd且电阻器708及710将为实质上相同的电阻以在适当时在防护环电容上产生1/2*Vdd。
参看图7A，描绘根据本发明的另一特定实例实施例的具有用于多个电容性传感器及防护环的CVD处理能力的混合信号集成电路装置的示意图。图7A中所展示的混合信号集成电路装置101b(例如，微控制器)实质上与图7中所展示的装置101a的性能相同，不同之处在于仅存在一个单一导线模拟总线732a；其中内部电容器706b及706c通过开关H而与总线732a解耦，且外部节点728通过开关G而与总线732a解耦。使用仅一组Vdd/Vss开关D及C，其中在不同于对第二CVD电容器716(及706a及/或706b)放电/充电的时间周期期间对第一CVD电容器704进行充电/放电。此情形节省了一组开关及第二内部模拟总线(参看图7总线734)。
另外，使用多个开关I对用于图1中所展示的电容性触摸按键108中的电容性传感器704中的每一者进行多路复用。此些特征还可并入到图7的电路中。随着电容性触摸模拟前端104扫描电容性触摸按键108，模拟多路复用器开关I选择多个传感器电容器704中的相应者。多个节点730通常为多用途可编程模拟或数字输入及/或输出。为了解释的清楚起见，在本发明中，仅展示配置成模拟输入/输出(双程)的节点。数字处理器经由数字驱动器712及714将节点724及726驱动到针对多个传感器电容器704中的选定传感器电容器704的适当逻辑电平。
参看图8及9，描绘根据本发明的特定实例实施例的电容转换(图8)及在此些转换期间的防护环电压控制(图9)的示意性电压-时间图。在区段I中，将电容器706a及/或706b及电容器716(取样与保持电容器)充电到Vdd，将电容性传感器电容器704放电到Vss，且将防护环电容702放电到Vss(实质上与电容器704上的电压匹配)。在区段II中，电容器706a及/或706b、716及704耦合在一起，且当未按下电容性触摸按键108时将产生约为1/3*Vdd的静态电压，且当按下时将产生略小于1/3*Vdd的静态电压。防护环电容702遵循电容器704(电容性传感器)上的电压以便最小化防护环电容702与电容器704之间的任何寄生电容。在区段II的末尾处，取样与保持电容器716与电容器706a及/或706b及电容器704解耦且保持在区段II期间获得的静态电压。在区段III中，将电容器704(电容性传感器)上的任何电压电荷放电到实质上Vss，接着在区段IV的开始处，将电容器704(电容性传感器)及防护环电容702充电到实质上Vdd。同时还在区段IV中，在取样与保持电容器716上存储的静态电压由ADC 718转换成表示静态电压的数字值且由数字处理器106读取。将来自ADC 718的数字值用于确定是否致动(触摸)了电容性传感器，例如静态电压是否低于预期得自未致动触摸传感器的静态电压。在致动(触摸)触摸传感器电容器704的电容值时，其电容增加且从而随后的静态电压将小于未经致动的情况。此情形在将电容器704初始化到Vss时为真。在将电容器704初始化到Vdd时，随后的静态电压在未致动电容性传感器时约为2/3*Vdd。
在区段V中，将电容器706a及/或706b及电容器716(取样与保持电容器)放电到Vss，且已经将电容性传感器电容器704及防护环电容702充电到Vdd。在区段VI中，电容器706a及/或706b、716及704耦合在一起，且当未按下电容性触摸按键108时将产生约为2/3*Vdd的静态电压，且当按下时将产生略大于2/3*Vdd的静态电压。防护环电容702遵循电容器704(电容性传感器)上的电压以便最小化防护环电容702与电容器704之间的任何寄生电容。在区段VI的末尾处，取样与保持电容器716与电容器706a及/或706b及电容器704解耦，且保持在区段VI期间获得的静态电压。在区段VII中，将电容器704(电容性传感器)充电到实质上Vdd，接着在区段VIII的开始处，将电容器704(电容性传感器)及防护环电容702放电到实质上Vss。同时还在区段VIII中，在取样与保持电容器716上存储的静态电压由ADC 718转换成表示静态电压的数字值且由数字处理器106读取。将来自ADC 718的数字值用于确定是否致动(触摸)了电容性传感器，例如静态电压是否低于预期得自未致动触摸传感器的静态电压。当致动(触摸)触摸传感器电容器704的电容值时，其电容增加且从而随后的静态电压将大于未经致动的情况。此情形在将电容器704初始化到Vdd时为真。在将电容器704初始化到Vss时，随后的静态电压在未致动电容性传感器时约为1/3*Vdd，如上文中所描述。对于触摸按键108中的每一者重复此些序列。还通过每隔一个电容测量循环就反转电压电荷极性且对电容测量值求平均，达成一类型的差动操作，所述差动操作最小化共模噪声及干扰(例如，60Hz电力线干扰)。
参看图10，描绘图7中所展示的电容转换系统的示意性时序图。此示意性时序图清楚地表示图7中所展示的电路的特定实例操作实施例。与开关A到F的操作性断开及闭合组合有关地展示节点724、726、728及730上的电压。图10基本上表示与图9中所展示者相同的电压及时序波形。预期(且在本发明的范围内)可使用具有相等效应的其它及另外电路设计及时序图，且电子电路设计技术领域且获益于本发明的技术人员可复制本文中所描述的结果。
参看图11及12，描绘根据本发明的特定实例实施例的电容转换的示意性工艺流程图。在步骤1102中，开始电容值转换。在步骤1104中，将电容器706a及/或706b及电容器716的取样与保持电容器组合充电到第一电压。在步骤1106中，将电容性传感器充电到第二电压。第一电压可为Vdd且第二电压可为Vss，或第一电压可为Vss且第二电压可为Vdd。在步骤1108中，将电容性传感器防护环充电到第二电压以便最小化寄生电容，寄生电容原本会归因于由电容性传感器与邻近导体之间的电压电位差引起的静电电荷而产生于电容性传感器处。
接下来在步骤1110中，与步骤1112的执行同时地将传感器防护环充电/放电到第三电压，在步骤1112中，先前充电到第一电压的取样与保持电容器组合被耦合到先前充电到第二电压的电容性传感器。只要步骤1110及1112彼此同时发生，两者便可互换。在步骤1114中，取样与保持电容器及电容性传感器耦合在一起的时间足够长以用于完全安定到静态第一电荷。接着在步骤1116中，使取样与保持电容器与电容性传感器解耦，且取样与保持电容器其后保持所安定的第一电荷。在步骤1118中，开始转换到存储于取样与保持电容器中的第一电荷的数字表示。
在步骤1120中，将电容性传感器简短地放电到第二电压。在步骤1122中，将电容性传感器充电到第一电压。在步骤1124中，将电容性传感器防护环充电到第一电压以便最小化寄生电容，寄生电容原本会归因于由电容性传感器与邻近导体之间的电压电位差引起的静电电荷而产生于电容性传感器处。在步骤1126中，第一电荷到其数字表示的转换终止且接着由数字处理器106读取以用于确定电容性传感器108的电容值。
在步骤1128中，将电容器706a及/或706b及电容器716的取样与保持电容器组合充电到第二电压。在步骤1130中，将电容性传感器充电到第一电压。在步骤1132中，将电容性传感器防护环充电到第一电压以便最小化寄生电容，寄生电容原本会归因于由电容性传感器与邻近导体之间的电压电位差引起的静电电荷而产生于电容性传感器处。
接下来在步骤1134中，与步骤1136的执行同时地将传感器防护环充电/放电到第四电压，在步骤1136中，先前充电到第二电压电平的取样与保持电容器组合被耦合到先前充电到第一电压的电容性传感器。只要步骤1134及1136彼此同时发生，两者便可互换。在步骤1138中，取样与保持电容器组合与电容性传感器耦合在一起的时间足够长以用于完全安定到静态第二电荷。接着在步骤1140中，使取样与保持电容器与电容性传感器解耦，且取样与保持电容器其后保持所安定的第二电荷。在步骤1142中，开始转换到存储于取样与保持电容器中的第二电荷的数字表示。
在步骤1144中，将电容性传感器简短地放电到第一电压。在步骤1146中，将电容性传感器充电到第二电压。在步骤1148中，将电容性传感器防护环充电到第二电压以便最小化寄生电容，寄生电容原本会归因于由电容性传感器与邻近导体之间的电压电位差引起的静电电荷而产生于电容性传感器处。在步骤1150中，第二电荷到其数字表示的转换终止且接着由数字处理器106读取以用于确定电容性传感器108的电容值。其后可处理第一及第二电荷的数字表示以减小共模噪声及干扰(例如，60Hz电力线干扰)。
参看图13，描绘根据本发明的教示的经由模拟通过门开关支持数字I/O及模拟功能的多功能端口逻辑的示意性框图。具有三态输出的数字驱动器1354耦合到外部节点728且由来自(例如，但不限于)数字处理器106的三态控制信号控制。来自(例如，但不限于)数字处理器106的数字输出信号耦合到数字驱动器1354的输入。
(例如)可实施图7A中的开关G的模拟通过门开关1350由模拟开关逻辑1352控制，模拟开关逻辑1352可由来自(例如，但不限于)数字处理器106的模拟总线控制信号独立于ADC通道选择而加以控制。通常，内部ADC的模拟多路复用器经配置以仅允许多个开关中的一者闭合以使得一次仅将外部接脚中的一者连接到内部ADC。然而，根据另一实施例，ADC的模拟多路复用器可经配置以允许一个以上开关可受到控制以将外部接脚连接到模拟总线。因此，控制逻辑1352及模拟通过门开关1350可独立于模拟多路复用器受到控制，抑或可为模拟多路复用器的部分。模拟通过门开关1350在闭合时使得节点728能够直接耦合到模拟总线732，如上文中更全面地描述。当模拟通过门开关1350闭合时，三态控制使数字驱动器1354的输出进入高阻抗状态，借此在节点728用作模拟端口时最小程度地影响节点728。预期(且在本发明的范围内)可根据本文中所描述的其它实施例包含其它功能。
参看图14，描绘根据本发明的教示的多功能端口逻辑的示意性框图，所述多功能端口逻辑经由模拟通过门开关支持数字I/O及模拟功能，其中另外，可通过ADC控制器逻辑越权模拟功能以对连接到端口的电容性触摸传感器预充电及放电。此端口逻辑可用于外部接脚730中的任一者，且在模拟多路复用器经配置以允许一个以上开关被闭合时接着还用于接脚728。在节点730处的数字功能与模拟功能之间的切换可为处理器密集型的且可要求复杂的程序来恰当地处置要求节点730具有的所有有关数字及模拟功能，如上文中更全面地描述。为了在每一电容性传感器的电容值的设定及确定(例如，图8到图12)期间免除处理器106的负载(例如，程序步骤及/或控制功能)，可将ADC越权特征并入到本文中所描述的电容性触摸确定电路中。使用并入有图14中所展示的电路功能的专用ADC控制器将节省数字处理器程序步骤且允许处理器在电容性传感器电容的确定期间执行其它功能。然而，根据其它实施例，还可省略越权功能。而且，根据又其它实施例，可组合如图13及14中所展示的端口逻辑以产生用于每一外部接脚的通用端口逻辑，如(例如)图7A中所展示。因此，用于所有外部接脚的通用端口逻辑可具有可被独立控制以连接到模拟总线的两个通过门，或可具有允许由独立启用信号控制的为模拟多路复用器的部分的单一通过门。
具有三态输出的数字驱动器1454耦合到外部节点730且由来自多路复用器1458的三态控制信号控制。来自多路复用器1460的数字输出信号耦合到数字驱动器1454的输入。可实施图7A中的开关I的模拟通过门开关1450由模拟开关逻辑1452控制。当ADC越权启用信号处在逻辑低时，多路复用器1458耦合三态控制信号以控制数字驱动器1454的三态输出，且多路复用器1460将数字输出信号耦合到数字驱动器1454的输入。ADC通道选择(模拟总线控制)控制模拟通过门开关1450以便将节点730直接耦合到模拟总线732，如上文中更完全地描述。在此配置下，图14中所展示的电路以实质上与图13中所展示的电路相同的方式起作用。
然而，当ADC越权启用信号处在逻辑高时，多路复用器1458耦合ADC越权数据启用信号以控制数字驱动器1454的三态输出，且多路复用器1460将ADC越权数据信号耦合到数字驱动器1454的输入。模拟通过门开关1450被迫将模拟总线732与节点730解耦。在此配置下，ADC越权数据启用信号及ADC越权数据信号可由ADC逻辑控制器(未图示)提供，且可用以在不要求来自数字处理器106的程序密集型动作的情况下对耦合到节点730的电容性触摸传感器充电或放电。
可如上文所解释如图13或图14中所展示实施节点728的端口逻辑。还可如图14或15中所展示(例如，无“模拟输入”通过门开关1350)实施节点724及726的端口逻辑。可如图14中所展示实施多个节点730。如上文所提及，通用端口可用于所有外部接脚。可根据相应外部接脚实施额外功能以支持其它功能性。
参看图15，描绘根据本发明的特定实例实施例的模拟及数字连接配置的示意性框图。多个模拟通过门开关1538可实施模拟多路复用器，且将多个节点730x耦合到模拟总线732及使多个节点730x与模拟总线732解耦，例如选择多个电容性触摸传感器中的每一者。将节点728与模拟总线732耦合在一起的直接连接(例如，参看图7)，抑或可选模拟通过门开关1536可将节点728耦合到模拟总线732及使节点728与模拟总线732解耦(例如，参看图7A)。如上文所解释，如果多路复用器经设计以允许一个以上开关被闭合，那么额外通过门开关1536可为模拟多路复用器的部分。多个开关1534可将额外取样与保持电容器1544耦合到模拟总线732及使额外取样与保持电容器1544与模拟总线732解耦。开关1540可用以将模拟总线732充电到Vdd，且开关1542可用以将模拟总线732放电到Vss。
虽然已描绘、描述及参考本发明的实例实施例界定了本发明的实施例，但此些参考并不暗示对本发明的限制，且不应推导出此类限制。如相关技术领域并获益于本发明的技术人员将想到，所揭示的标的物能够在形式上及功能上具有相当大的修改、变更及等效物。本发明的所描绘及描述的实施例仅为实例，且并非为详尽无遗的本发明范围。

Claims (17)

1.一种微控制器，其包括：
数字处理器，其具有存储器；
多个外部输入/输出端口，其可经编程以充当模拟节点；
多路复用器，其由所述数字处理器控制以用于选择所述模拟节点中的一者且将所述模拟节点耦合到模拟总线；及
模/数转换器ADC，其与所述模拟总线耦合以用于将所述模拟总线上的模拟电压转换成其数字表示，且具有耦合到所述数字处理器的数字输出以用于传递所述数字表示；及
外部节点，其耦合到所述模拟总线，其中所述外部节点经配置以与外部电容器耦合从而控制所述模拟总线上的有效电容。
2.根据权利要求1所述的微控制器，其进一步包括在所述外部节点与所述模拟总线之间的开关，其中所述开关由所述数字处理器可编程地控制。
3.根据权利要求1所述的微控制器，其进一步包括所述微控制器的至少两个数字输出端口，所述至少两个数字输出端口耦合到多个数字输出驱动器中的相应者。
4.根据权利要求3所述的微控制器，其进一步包括：
取样与保持电容器；
其中所述模拟总线是第一模拟总线，其可切换地耦合到电力供应共同电位、电力供应电压、所述取样与保持电容器或第二模拟总线；
其中所述第二模拟总线可切换地耦合到所述电力供应共同电位、所述电力供应电压或所述第一模拟总线；及
所述取样与保持电容器可切换地耦合到所述第一模拟总线或所述ADC的输入。
5.根据权利要求4所述的微控制器，其中所选择的模拟节点耦合到所述第二模拟总线且适合耦合到电容性传感器。
6.根据权利要求4所述的微控制器，其中所述至少两个数字输出端口适合耦合到电阻器分压器网络，所述电阻器分压器网络将电压驱动到与所述电容性传感器相关联的防护环上。
7.根据权利要求1所述的微控制器，其进一步包括可切换地耦合到所述模拟总线的至少一内部电容器。
8.根据权利要求4所述的微控制器，其进一步包括多个开关，其中：
所述多个开关中的第一者在闭合时将所述第一模拟总线及所述第二模拟总线耦合在一起，
所述多个开关中的第二者在闭合时将所述第一模拟总线耦合到电力供应共同电位，
所述多个开关中的第三者在闭合时将所述第二模拟总线耦合到电力供应电压，
所述多个开关中的第四者在闭合时将所述第一模拟总线耦合到所述电力供应共同电位，及
所述多个开关中的第五者在闭合时将所述第二模拟总线耦合到所述电力供应共同电位。
9.根据权利要求8所述的微控制器，其中所述数字处理器控制所述多个开关。
10.根据权利要求8所述的微控制器，其中所述多个开关为多个场效晶体管FET开关。
11.根据权利要求4所述的微控制器，其中所述多个数字输出驱动器具有在实质上所述电力供应电压处的逻辑高输出，及在实质上所述电力供应共同电位处的逻辑低输出。
12.一种电容性传感器系统，包括根据前述权利要求4-6和8-9中任一项的微控制器并进一步包括：
外部电容器，与所述外部节点连接；
电容性传感器；
防护环，其与所述电容性传感器相关联；
第一电阻器，其耦合到所述防护环；
第二电阻器，其耦合到所述防护环。
13.根据权利要求12所述的电容性传感器系统，其中所述第一电阻器的电阻是所述第二电阻器的两倍。
14.根据权利要求13所述的电容性传感器系统，其中所述外部电容器及所述取样与保持电容器的组合电容值为所述电容性传感器的电容值的大约一半。
15.根据权利要求12所述的电容性传感器系统，其中所述防护环上的电压实质上与所述电容性传感器上的电压相同。
16.一种操作根据前述权利要求5和6中任一项的微控制器的方法，包含：
确定所述电容性传感器的电容；
选择所述外部电容器以满足感测器电容和采样与保持电容及外部电容的组合间的预定比率，并连接所述外部电容器与所述外部节点；
根据电容性电压分配原则，使用所述感测器电容和所述采样与保持电容执行电容性测量，所述采样与保持电容与所述外部电容并联。
17.根据权利要求16所述的方法，进一步包含，确定防护环的防护环电压，及使用所述数字输出驱动器与耦合到所述防护环的第一和第二电阻器产生所述防护环电压。
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